آشنایی با آشکارسازهای نوری

[gshahali]

سلام دوستان

من مقاله‌ی CCD چگونه کار می‌کند را دیدم و به نظرم رسید در تکمیل مطالب دکتر مير ترابی، مباحثی را به طور ساده برای آشنایی بیشتر با تئوری ccd تقدیم کنم. این مطالب را در چند بخش اینجا قرار می‌دهم.

در ادامه‌ی تاپیک نیز به بررسی سایر آشکارسازها از جمله CMOS و PMT خواهیم پرداخت.

امیدوارم که برای علاقه‌مندان مفید باشد.

آشنایی کلی:

ccd یک شیفت‌رجیستر آنالوگ است که بوسیله آن می‌توان سیگنال آنالوگ (بار الکتریکی) را با کنترل سیگنال ساعت در طبقات مجاور به حرکت درآورد. از ccd می‌توان به عنوان نوعی حافظه و یا تأخیردهندۀ سیگنال آنالوگ استفاده کرد. اما آنچه امروزه با نام ccd به ذهن خطور می‌کند استفاده از آن به عنوان حسگر نور است. تصویر از میان لنز بر صفحه ccd تابانده می‌شود. صفحه ccd آرایه‌ای است از تعدادی خازن که با تابش نور بر روی آنها، هر یک متناسب با شدت نور ورودی، مقداری بار الکتریکی در خود ذخیره می‌کند (دقت کنید که منظور از خازن نوع متعارف آن نیست). پس از اتمام نوردهی (و با بسته شدن شاتر دوربین) با کمک پالس ساعت، هر خازن محتویات خود را به خازن مجاور منتقل می‌کند. این انتقال بصورت موازی در آرایه صورت می‌گیرد و در آخرین ردیف محتویات خازنها بصورت سریال خوانده شده به ولتاژ تبدیل می‌شود . کار پردازش و تبدیل داده به تصویر در کامپیوتر بصورت نرم‌افزاری صورت می‌گیرد. کلمه ccd اشاره به روشی دارد که سیگنال تصویر از تراشه نیمه رسانا خوانده می‌شود.

نخستین ccd هابل با 64000 پیکسل که در سال 1993 تعویض شد

عناوین قسمتهای بعدی عبارتند از:
تاریخچه
اصول کار
ویژگیهای CCD
استفاده در عکسبرداری نجومی
عکسبرداری رنگی با CCD

[gshahali]

سلام دوستان
پیش از قرار دادن قسمت دوم، عید غدیر خم را به همه تبریک می‌گویم.
قسمت دوم به تاریخچه مختصر CCD می‌پردازد:

تاریخچه:

در سال 1969 بویل و اسمیت در آزمایشگاه بل موفق به ساخت CCD شدند. در ابتدا هدف از ساخت CCD دستیابی به نوعی حافظه و انتقال بار تزریق شده به آن در سطح یک نیمه‌هادی بود. اما بلافاصله معلوم شد که این بار می‌تواند بر اثر پدیدۀ فتوالکتریک در نیمه‌هادی ایجاد شود و به دنبال آن محققین آزمایشگاه بل توانستند اولین تصاویر را با کمک CCD ضبط کنند.
در سال 1974 شرکت Fairchild توانست اولین نوع تجاری CCD را بسازد که از یک آرایه 100×100 پیکسلی تشکیل شده بود. به دنبال آن شرکت سونی به تولید انبوه CCD جهت دوربینهای خود دست یافت. اخیراً شرکت کداک موفق به ساخت یک CCD با بیش از 150 مگاپیکسل برای استفاده در تلسکوپهای علمی شده است.

[gshahali]

اصول کار:


در CCD، و به منظور ضبط تصویر، ناحیه‌ای از نیمه رسانا که به نور حساس است قرار دارد و ناحیه‌ای که شیفت رجیستر را می‌سازد (برای جابجائی بارهای تولیدی).
زیرلایه CCD از سیلیکون ساخته شده است، اما اتفاقات در لایۀ بالائی آن، epitaxy ، رخ می‌دهد. این لایه از سیلیکون ساخته شده که از موادی چون بور به عنوان ناخالصی در آن استفاده می‌شود. نور پس از عبور از دروازه (gate) به این لایه برخورد کرده، تولید الکترون می‌کند. دروازه را در ولتاژی مثبت نسبت به بقیه نقاط قرار می‌دهند و بدینوسیله الکترونها به طرف دروازه حرکت می‌کنند. به علت وجود عایق (معمولاً لایه‌ای نازک از شیشه) در بین راه، الکترونها در نزدیکی دروازه تجمع می‌کنند.

CCD به پیکسلهایی تقسیم می‌شود و هر پیکسل دارای 3 قسمت مشابه شکل بالا است. با کمک مدار خارجی، ولتاژ دروازه‌های مجاور به نوبت مثبت می‌شود و الکترونها بر روی نیمه‌هادی به سمت انتها حرکت می‌کنند. این نکته قابل ذکر است که از 3 قسمت درون پیکسل، تنها ولتاژ یک دروازه مثبت است و دو قسمت دیگر در نقش محافظ جهت جلوگیری از آمیخته شدن الکترونهای پیکسل مجاور با الکترونهای آن پیکسل عمل می‌کنند.

محتویات انتقال یافته در آخرین مرحله بصورت سریال خوانده می‌شود. در لینک زیر تصویر متحرکی را با فرمت فلش می‌بینید.

http://mail1.specinst.com/Flash/Seri...dout_REV-A.swf

در خروجی CCD یک مبدل آنالوگ به دیجیتال بسته‌های الکترون را به داده‌های دیجیتال قابل ذخیره‌سازی در کامپیوتر تبدیل می‌کند. پس از آن کامپیوتر با پردازش داده‌ها تصویر را مجدداً بازسازی می‌نماید.

[gshahali]

ویژگی‌های CCD

این ویژگی‌ها را تحت سه عنوان ملاحظه خواهید کرد:

1- بازده کوانتومی
2-خطی بودن
3- جریان تاریک


بازده کوانتومی:

تعریف: بازده کوانتومی نشان می‌دهد که چه در صدی از فوتون‌های ورودی به حسگر، بار الکتریکی تولید می‌کند. معمولاً واحد آن الکترون بر فوتون، یا آمپر بر وات است.

چنانچه نور از سمتی که دروازه (gate) قرار دارد به CCD بتابد مقداری از آن توسط دروازه حذف می‌گردد و این کار بازده را پائین می‌آورد.
برای رفع این مشکل معمولاً نور از پشت به CCD تابانده می‌شود (شکل زیر).

با این کار می‌توان بازده را تا 95% افزایش داد.

[gshahali]

خطی بودن:

در ccd تعداد الکترونهای انباشته شده در پیکسلها تقریباً متناسب با تعداد فوتونهای ورودی است. در حالی که در فیلم عکاسی این رابطه خطی نیست.

جریان تاریک:

گرما باعث تحریک الکترون و اضافه شدن آن به الکترونهای ناشی از تصویر در پیکسلها می‌شود. این الکترونها، که به عنوان جریان تاریک در خروجی شناسائی می‌شوند، به هیچ عنوان قابل جداسازی نیستند. تنها راه کم کردن و حذف آنها سرد کردن ccd است. با کاهش 6-7 درجه دما، جریان تاریک به نصف تقلیل می‌یابد. در دمای حدود 100- درجه سانتیگراد این جریان مزاحم تقریباً حذف می‌شود. لازم به ذکر است که معمولاً ccd در در دمای پائینتر از 120- درجه سانتیگراد کارآیی مطلوب خود را از دست می‌دهد.

[gshahali]

استفاده در عکسبرداری نجومی:


بازده کوانتومی بالا، خطی بودن پاسخ نسبت به شدت تابش ورودی، سادگی بکارگیری در مقایسه با فیلم عکاسی و دلایل متعدد دیگر باعث گردید که ستاره‌شناسان به سرعت به این آشکارساز روی آورند و از آن به عنوان گزینۀ اول در آشکارسازی طیف امواج الکترومغناطس از ماوراء‌بنفش تا مادون قرمز یاد کنند. نوفه حرارتی و اشعه کیهانی دو عامل مؤثر بر ایجاد خطا در این آشکارساز است. برای حذف یا کاهش این پدیدۀ مزاحم چندین عکس با شاتر بسته گرفته می‌شود و میانگین این تصاویر در پردازش نهائی از تصویر اصلی کم می‌شود. وقتی CCD در دمای 100- درجه سانتیگراد کار می‌کند اصطلاحاً گفته می‌شود که در «Low Scan Mode » قرار دارد. در این حالت، با توجه به بازده بالای کوانتومی و جریان تاریک تقریباً صفر، CCD می‌تواند ساعتها بر نقطه‌ای از آسمان متمرکز شده به نورگیری بپردازد. البته در صورت استفاده بر روی زمین، ملاحظات حرکت زمین و استفاده از سیستم تصحیح کننده لازم است.
قابلیت اتصال مستقیم CCD به کامپیوتر از دیگر مزایای آن نسبت به فیلم عکاسی است.

تصویر Messier 33 با دوربین CCD و تلسکوپ 20 اینچ رصدخانه Robert A. Schommer

[gshahali]

عکس‌برداری رنگی با CCD:


عکس‌برداری رنگی با CCD معمولاً به یکی از دو روش زیر صورت می‌گیرد:

الف: استفاده از ماسک بایر؛ در این روش هر چهار پیکسل با سه فیلتر پوشانده می‌شود، یکی آبی، یکی قرمز و دوتای دیگر سبز. علت دوبرابر بودن فیلتر سبز حساسیت چشم به این رنگ است.

ب: استفاده از سه CCD و منشور تفکیک کننده رنگ. منشور نور را به سه رنگ اصلی قرمز، سبز و آبی تفکیک می‌نماید و سه CCD وظیفه عکسبرداری را به عهده دارند. خروجی این سه CCD در کامپیوتر ترکیب شده تصویر نهائی حاصل می‌شود.

در روش دوم بازده کوانتومی بالاتر است و از این جهت در تلسکوپ هابل از این روش استفاده می‌شود.

[gshahali]

سلام دوستان

آشکارساز دیگری وجود دارد موسوم به آشکارساز cmos.
این آشکارساز در مقایسه با ccd دارای مزایا و معایبی است.
اگر فرصتی شد در ادامه به این آشکارساز نیز خواهم پرداخت. ولی بهتر است دوستان علاقه‌مند با جستجو در اینترنت و منابع دیگر، این مبحث را پی‌گیری کنند.

موفق باشید.

[gissoo]

با تشکر از آقای gshahali بابت تکمیل موضوع ccd برای پیگیری بحث اطلاعات ابتدایی در این مورد ذکر میکنم.


Complementary Metal–Oxide–Semiconductor یا به اختصار cmos (نیمه رسانای اکسید فلزی مکمل) در سال 1967 توسط Frank Wanlass به ثبت رسید و در 1998 حسگر cmos به عنوان جایگزینی برای ccd به منظور ثبت تصویر ابداع شد.
از تکنولوژی cmos در مایکرو پروسسورها، مایکرو کنترول ها یا دیگر مدارات منطقی دیجیتال استفاده میشود.

این حسگر با توان مصرفی پایین را میتوان در تبدیل آنالوگ به دیجیتال، پردازش سیگنال‌های بار شده، تراز سفیدی (white Balance)، و کنترل‌های دوربین و... استفاده نمود. هم چنین می‌توان تراکم نقاط و عمق بیتی تصویر را به راحتی بدون افزایش بیش از اندازه قیمت، بالا برد و این در حالی است که سی‌سی‌دی تنها برای ثبت شدت نوری که بر روی هر یک از صدها هزار نقاط نمونه‌برداری می‌افتد کاربرد دارد.

البته در این فناوری مشکلاتی از قبیل تصاویر دارای نویز و عدم توانایی در گرفتن عکس از موضوعات متحرک وجود دارد.
ساخت تراشه های cmos با توجه به تولید انبوه آن ارزانتر از ccd است و پیش بینی میگردد سرانجام در تولید و ساخت تمام دوربین های دیجیتال معمولی این تکنولوژی بکار گرفته شود.

http://http://fa.wikipedia.org/wiki/
http://http://en.wikipedia.org/wiki/CMOS

[gshahali]

سلام دوستان

ضمن تشکر از کاربر محترم، gissoo، سعی می‌کنم مطالبی را در چند قسمت به صورت ساده در ارتباط با آشکارساز CMOS تقدیم کنم:

در این نوع آشکارساز پرتو نور پس از تبدیل شدن به الکترون، در همان محل پیکسل پردازش می‌شود و سیگنال الکتریکی خارج می‌گردد. عمل پردازش بوسیله قطعات CMOS که در همان محل قرار دارند انجام می‌شود و به همین دلیل این آشکارساز به آشکارساز CMOS معروف است.
در این آشکارساز، حسگر نور در کنار دو یا چند ترانزیستور FET قرار دارد و مجموعاً یک پیکسل را تشکیل می‌دهند.

یک پیکسل Cmos با سه ترانزیستور FET

هر چند که ایده ساخت این نوع آشکارساز به اواخر دهه 60 میلادی بازمی‌گردد، لکن به علت متغیر بودن خواص ترانزیستورهائی که در آن زمان ساخته می‌شد, عملاً تولید این آشکارسازها تا دهه 90 به تعویق افتاد. در این زمان پس از پیشرفتهای بسیاری که در صنعت ریزپردازنده‌ها شده بود، ایده ساخت این نوع آشکارساز مجدداً احیا گردید و این درحالی بود که تا آن تاریخ 20 سال از ابداع CCD می‌گذشت. با وجود این برخی مزایای CMOS، مانند سرعت ضبط تصویر و کاهش قطعات جانبی به علت پردازش در محل پیکسل و ... ، باعث رویکرد به ساخت این نوع آشکارساز شد.